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Abstract

A functional 3D-engineered scaffold where cells are able to grow in vitro mimics the microstructural, mechanical, electrical and biochemical features of the cell's natural extracellular matrix (ECM) that is crucial for supporting numerous cell functions such as proliferation and growth. The scaffolds electrical conductivity and deformability are particularly essential for assorted cell types that rely on electrical signals to perform various cellular mechanical functions as in skeletal muscle cells contraction that transpire upon electrical stimulation. My thesis presents successful procedures for developing electrically-conductive, deformable 3D artificial cellular scaffolds that provide the deformability to accommodate muscle cell contraction and the electrical conductivity to enable cell-to-cell signalling, both of which are vital aspects in 3D cell tissue scaffolds and biohybrid robotics. I employed a novel microengineering approach based on a sacrificial template made from interconnected tetrapod-shaped zinc oxide micro particles with two state of the art methods that are based on (1) a hydrogel permeated with a filler material that renders it conductive and (2) a conductive polymer.

The hydrogel system is based on polyacrylamide where the interconnected zinc oxide microchannels network is coated with an exfoliated graphene flakes dispersion that eventually creates a graphene framework structure and promotes an outstanding electrical conductivity using an extremely low filler concentration. This method imposes no significant impact on the hydrogel mechanical integrity and maintains the original matrix toughness and physicochemical properties, thus achieves versatile, conductive, microchannel-containing 3D scaffolds. Composites of polyacrylamide and a semi-synthetic gelatin methacryloyl hydrogel were also developed as a facile way of generating a biofunctional conductive scaffold that enhances and promotes skeletal muscle cells spreading and proliferation. Additionally, the suitability of non-contractile fibroblast cells for biohybrid actuators is analyzed and presented in a pioneering study.

In the second microengineered system, I analyzed a 3D fibrous conductive scaffold based on a conductive poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) polymer that proved suitable for culturing contractile cells. The scaffolds exhibit four orders of magnitude greater specific conductivity than previously reported 3D PEDOT:PSS structures even after two weeks of storage in water in addition to demonstrating a substantial mechanical stability in an aqueous environment. Biofunctional studies with fibroblasts, skeletal muscle cells and cardiomyocytes derived from induced pluripotent stem cells cultured on biofunctionalized scaffolds were carried out in terms of cell adhesion, distribution, beating behavior and their scaffold deformation ability.

Translation of abstract (German)

Eine funktionale 3D-Gerüststruktur in der Zellen in vitro wachsen können, muss die mikrostrukturellen, mechanischen, elektrischen und biochemischen Eigenschaften der natürlichen extrazellulären Matrix nachbilden, die für die Unterstützung zahlreicher Zellfunktionen wie z.B. Proliferation und Wachstum entscheidend sind. Die elektrische Leitfähigkeit und Verformbarkeit der Struktur sind dabei besonders wichtig für die Zelltypen, die auf elektrische Signale angewiesen sind, um verschiedene zelluläre mechanische Funktionen auszuführen, wie beispielsweise die durch elektrische Stimulation ausgelöste Kontraktion von Skelettmuskelzellen. In meiner Dissertation stelle ich Herstellungsverfahren für elektrisch leitfähige, verformbare künstliche 3D-Zellgerüste vor, die die nötige Verformbarkeit für die Kontraktion von Muskelzellen und die elektrische Leitfähigkeit für die Zellsignalübertragung bieten, welches beide wichtige Aspekte für die 3D-Zellkultur und biohybride Robotik sind. Dafür habe ich ein neuartiges, mikrotechnisches Verfahren angewandt, das auf einem Opfertemplat aus miteinander verbundenen, tetrapodenförmigen Zinkoxid-Mikropartikeln basiert, wobei die Methoden entweder auf (1) einem Hydrogel, das mit einem leitfähigen Füllstoff durchsetzt ist, oder (2) einem leitfähigen Polymer basieren.

Das Hydrogelsystem beruht auf Polyacrylamid (PAM), bei dem das Zinkoxid-Mikrokanalnetzwerk mit einer Dispersion aus exfolierten Graphenflocken (EG) beschichtet und schließlich entfernt wird, sodass eine das Hydrogel durchziehende Graphengerüststruktur entsteht, wodurch dieses bei einer extrem niedrigen Füllstoffkonzentration eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit aufweist. Diese Methode hat keine nennenswerten Auswirkungen auf die mechanische Integrität des Hydrogels und erhält die ursprüngliche Zähigkeit und die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Matrix, wodurch anpassbare, leitfähige und mit Mikrokanälen durchzogene 3D-Gerüststruktur entstehen. Zusätzlich wurden Komposite aus PAM und einem Gelatine-Methacryloyl-Hydrogel entwickelt, um auf einfache Weise eine biofunktionale, leitfähige Gerüststruktur zu erzeugen, die die Adhäsion und Proliferation von Skelettmuskelzellen verbessert. Darüber hinaus wird die Eignung von nicht kontraktilen Fibroblastenzellen für biohybride Aktoren analysiert und in einer wegweisenden Studie vorgestellt.

Im zweiten Ansatz wird eine faserartige 3D-Gerüststruktur analysiert, die auf dem leitfähigen Polymer Poly(3,4-Ethylendioxythiophen):poly(Styrolsulfonat) (PEDOT:PSS) basiert und für die Kultivierung kontraktiler Zellen geeignet ist. Die Strukturen weisen selbst nach zweiwöchiger Lagerung in Wasser eine um vier Größenordnungen höhere Leitfähigkeit auf als bisher beschriebene 3D-PEDOT:PSS-Strukturen und zeigen darüber hinaus eine geeignete mechanische Stabilität in wässrigen Umgebung. Biofunktionalitätsstudien an Fibroblasten, Skelettmuskelzellen und Kardiomyozyten aus induzierten pluripotenten Stammzellen wurden im Hinblick auf Adhäsion, Verteilung, Kontraktion, sowie ihrer Fähigkeit ihre umgebende Struktur zu deformieren, analysiert.